CN105934328B - 使用预成形腹板脚凸缘制造剪切腹板的方法 - Google Patents

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Abstract

描述了一种制造剪切腹板的形式的风力涡轮机叶片部件的方法。该方法包括下述步骤：a）提供具有第一侧和第二侧以及第一端和第二端的预制剪切腹板本体（250）；b）提供包括纤维加强材料的第一预成形腹板脚凸缘（270）；c）将第一纤维层（281）从第一预成形腹板脚凸缘布置到剪切腹板本体的第一侧的一部分；d）将第二纤维层（282）从第一预成形腹板脚凸缘布置到剪切腹板本体的第二侧的一部分；e）与步骤c）和步骤d）同时地，或者在步骤c）和步骤d）之后，向所述第一纤维层和所述第二纤维层供给树脂；以及f）使树脂固化以形成剪切腹板。

Description

使用预成形腹板脚凸缘制造剪切腹板的方法
技术领域
本发明涉及制造剪切腹板本体形式的风力涡轮机叶片部件的方法以及根据该方法制造的剪切腹板本体。
背景技术
风力涡轮机叶片通常根据两种构造设计中的一种来制造，即薄的空气动力学壳体被胶结或以其他方式结合到翼梁上的设计，或者翼梁盖（也称为主层压体）被集成在空气动力学壳体中的设计。
在第一种设计中，翼梁构成叶片的承载结构。翼梁以及空气动力学壳体或壳体部分被单独地制造。空气动力学壳体通常制造成两个壳部部分，一般为压力侧壳体部分和吸入侧壳体部分。这两个壳体部分被胶结或以其他方式连接至翼梁并且沿着壳体部分的前缘和后缘进一步彼此胶结。这种设计具有如下优点，即：关键的承载结构可以单独地制造，并且因此较容易控制。另外，这种设计允许使用各种不同的制造方法（例如模制和丝卷绕制工艺）来制造梁。
在第二种设计中，翼梁盖或主层压体被集成到壳体中并且与空气动力学壳体模制在一起。主层压体与叶片的剩余部分相比一般包括较高数量的纤维层，并且可以形成风力涡轮机壳体的局部加厚——至少关于纤维层的数量而言。因此，主层压体可以形成叶片中的纤维嵌件。在这种设计中，主层压体构成承载结构。叶片壳体一般设计成具有集成在压力侧壳体部分中的第一主层压体和集成在吸入侧壳体部分中的第二主层压体。第一主层压体和第二主层压体一般通过一个或多个剪切腹板连接，所述剪切腹板可以例如是C形或I形。对于非常长的叶片，叶片壳体可以沿着纵向延伸部的至少一部分进一步包括位于压力侧壳体中的附加的第一主层压体和位于吸入侧壳体中的附加的第二主层压体。这些附加的主层压体也可以通过一个或多个剪切腹板连接。这种设计具有如下优点：更容易通过叶片壳体部分的模制来控制叶片的空气动力学形状。
剪切腹板用来加强叶片结构，并且防止过度的弯曲或变形。一些叶片设计使用由具有I形或C形横截面的梁构件形成的剪切腹板，其中所述构件具有主体，该主体具有在主体的相反端从主体延伸的承载凸缘。
一种制造这种I形或C形腹板的方法是通过设置夹心面板本体，其中纤维材料层以期望的凸缘形状在相反端被施用至该夹心面板本体，所述纤维材料被灌注树脂并且随后发生固化以形成刚性凸缘。
公知的是在适当成形的模具结构中制造这种剪切腹板，其中可以使用相对简单的U形模具来制造C形腹板，其中夹心面板本体在该模具结构的相反的壁之间延伸，其中所述凸缘通过纤维材料在所述壁上的层积而形成。
类似地，可以使用具有中央支撑件的模具来制造I形腹板，其中该中央支撑件由任一侧上的柔性支撑构件来限界，从而限定柔性支撑构件与相反的模具壁之间的可调节通道。在这种情形下，夹心面板本体布置在中央支撑件上，而可调节通道布置成容纳纤维层，从而形成面板本体的第一侧上的凸缘，其中面板本体的第二侧上的凸缘通过纤维材料在相反的模具壁上的层积而形成。
这种制造***的示例能够在公开号为WO 2013/037466 A1的国际专利申请中看到。
然而，这种***需要为这种剪切腹板的形成设置专门的模制台，这些剪切腹板通常是超过30至40米长的连续结构，占据叶片工厂中的大量空间。另外，施用、灌注和随后固化纤维层以形成剪切腹板的凸缘需要相对精确的对准和加工，因而导致了显著的时间和操作成本。
另外，在I形腹板制造的情况下，对于叶片和所需的相关I形腹板的不同设计，所使用的特定柔性轮廓是唯一的。因此，当需要制造用于在不同的风力涡轮机叶片中使用的I形腹板时，这会导致额外的制造和安装成本。
除了以上所述之外，具有这种基于灌注了树脂的纤维的凸缘的剪切腹板由于通过所述凸缘传递的相对较大的力而对于防止结构缺陷和破裂是关注的区域。
本发明的目的是提供一种用于剪切腹板的形式的风力涡轮机叶片部件的制造的替代性***和方法，其提供了制造容易性的提高与结构故障风险的减小的组合。
发明内容
因此，提供了一种制造剪切腹板的形式的风力涡轮机叶片部件的方法，该方法包括下述步骤：
a）提供具有第一侧和第二侧以及第一端和第二端的预制剪切腹板本体；
b）提供包括纤维加强材料如玻璃纤维的第一预成形腹板脚凸缘（web footflange）；
c）将第一纤维层从第一预成形腹板脚凸缘布置到剪切腹板本体的第一侧的一部分；
d）将第二纤维层从第一预成形腹板脚凸缘布置到剪切腹板本体的第二侧的一部分；
e）与步骤c）和步骤d）同时地，或者在步骤c）和步骤d）之后，向所述第一纤维层和所述第二纤维层供给树脂；以及
f）使树脂固化以形成剪切腹板。
因此，能够看到，第一预成形腹板脚凸缘通过下述过程而附接至剪切腹板本体：从腹板脚凸缘到剪切腹板的侧部铺设纤维层；通过注射供给树脂或者供给作为预浸渍材料的树脂；以及然后使树脂固化以提供腹板脚凸缘与剪切腹板之间的永久连接。这提供了分别制造剪切腹板本体和第一腹板脚凸缘的机会，这继而允许更一般且更模块化的设计，其中两个部分能够成形为期望的风力涡轮机壳体形状而不必具有用于每个风力涡轮机叶片类型的较大的定制腹板模具。因此，剪切腹板本体可以例如使用多个简单的工作台支架或简单的夹具而简单地在车间中支撑。
总的来说，能够看到，一个或多个腹板脚凸缘可以通过将其层压在剪切腹板本体的侧部（例如通过包覆层压）而结合至预制剪切腹板本体。这种层压取代了结构粘结剂——其可以用于提供腹板脚凸缘与剪切腹板本体之间的承载接头——的使用。
所述方法还可以有利地涉及根据相同的顺序将第二预成形腹板脚凸缘附接至腹板本体的第二端的步骤，即：c2）将第一附加纤维层从第二预成形腹板脚凸缘布置到剪切腹板本体的第一侧；d2）将第二附加纤维层从第一预成形腹板脚凸缘布置到剪切腹板本体的第二侧；e2）与步骤c2）和步骤d2）同时地，或者在步骤c2）和步骤d2）之后，向所述第一附加纤维层和所述第二附加纤维层供给树脂；以及f2）使树脂固化。
在下文中，可能关于第一腹板脚凸缘（有时也将仅称为“腹板脚凸缘”）讨论各种实施方式。然而，显然这些实施方式也可以适用于附接至剪切腹板本体的第二端的第二腹板脚凸缘。
根据一个有利的实施方式，增粘剂或SAERfix®织物被供给至第一纤维层和第二纤维层以维持步骤e）中向所述第一纤维层和所述第二纤维层供给树脂之前的形状。因此，确保了第一纤维层和第二纤维层维持其形状以分别沿着剪切腹板本体的第一侧和第二侧延伸。如果第一纤维层和第二纤维层构成第一预成形腹板脚凸缘的一部分，那么增粘剂将确保或者至少部分地确保预成形腹板脚凸缘本身维持其层压在剪切腹板本体上之前的形状。
根据另一个有利的实施方式，预制剪切腹板本体是夹心面板或夹心结构复合构件，例如具有施用至相对较厚的轻量芯材料（如轻木或发泡聚合物）的加强材料（如纤维加强复合材料）的表层。芯材料可以是低强度材料，但是其较大的厚度提供了具有较高的抗弯强度和整体低密度的夹心复合结构。
根据又一个有利的实施方式，所述方法包括下述步骤：提供与剪切腹板本体的至少第一端相邻的成形工具以形成模具腔，该模具腔覆盖第一预成形腹板脚凸缘、第一纤维层、第二纤维层以及剪切腹板本体的位于剪切腹板本体的第一端附近的部分。因此，成形工具形成剪切腹板本体的第一端附近的相对较小的模具腔。因此，仅仅需要相对较小的成形工具来代替用于制造一体成形的剪切腹板本体和腹板脚凸缘所需的体积较大的设备。
模具腔优选地是沿着一部分剪切腹板本体或整个剪切腹板本体延伸的长形或长椭圆形腔。模具腔可以是大致腹板脚凸缘形。
有利地，成形工具包括第一真空袋并且可能还包括第二真空袋。如果仅使用第一真空袋，则其可以覆盖第一腹板脚凸缘并且对剪切腹板本体的第一侧和第二侧密封。还可以使用两个真空袋，即用于密封第一纤维层的第一真空袋和用于密封第二纤维层的第二真空袋。真空袋可以进一步对预成形腹板脚凸缘密封或者对支撑预成形腹板脚凸缘的基部的成形工具板构件密封。
可替代地，模具腔可以利用包括例如由金属或非柔性塑料制成的基本刚性的部分的专用工具而形成。优选地，这种刚性部分根据腹板脚凸缘或腹板脚凸缘连接件的期望外形而成形。
优选地，所述方法包括在所述成形工具与所述腹板构件的所述第一端之间施用密封剂的步骤。密封剂可以包括施用在成形工具的边缘与腹板构件的表面之间的简单的材料条如硅凝胶，并且可能具有粘结属性。
在一个特别有利的方法中，步骤e）中的树脂被注射到模具腔中。有利地，树脂从模具腔的第一纵向端注入。该方法可以包括以超压或以环境压力以上的压力水平注射所述树脂。优选地，所述注射步骤包括向模具腔施加真空。因此，树脂优选地通过真空灌注而供给。真空可以有利地从模具腔的相反的第二纵向端施加。
在一个实施方式中，步骤a）中的预制剪切腹板本体布置在大致竖直的位置，并且其中第一预成形腹板脚凸缘布置在第一端且位于剪切腹板本体的下方。因此，可以在腹板脚凸缘和剪切腹板本体布置在大致竖直的构型的同时供给树脂，并且其中第一纤维层和第二纤维层分别沿着剪切腹板本体的第一侧和第二侧大致竖直地延伸。这可以补偿层压体中的气穴的逐渐形成以及由于重力而导致的纤维层的蠕变。
第二预成形腹板脚凸缘可以布置在第二端并且位于剪切腹板本体的上方，且以类似的方式被灌注。可替代地，剪切腹板本体可以转过180度，并且第二预成形腹板脚凸缘可以在后续的灌注步骤中附接至剪切腹板本体，在该步骤中第二预成形腹板脚凸缘布置在剪切腹板本体的下方。
在另一个特别有利的实施方式中，第一腹板脚凸缘包括具有第一侧和第二侧的基部、从基部的第一侧突出的第一突出部以及从基部的第二侧突出的第二突出部，使得在第一突出部与第二突出部之间形成凹部。因此，剪切腹板本体的第一端可以布置在形成于这两个突出部之间的凹部中。剪切腹板本体的第一端可以被倒角或斜切。该凹部可以具有互补的形状。可以在预成形腹板脚凸缘与剪切腹板本体之间的凹部中布置纤维层。互补的形状可以成形为使得腹板脚凸缘与剪切腹板本体之间的角度被预先限定。剪切腹板本体的端部和/或腹板脚凸缘的腔可以例如通过铣削加工或类似的加工来成形。
纤维层可以绕剪切腹板本体的第一端缠绕。因此，第一纤维层和第二纤维层可以通过绕端部以及在两个本体之间缠绕的单个纤维层而形成。
第一突出部和第二突出部都包括第一侧部分和第二侧部分。第一侧部分可以是内凹的，并且第二侧也可以是内凹的。因此，突出部提供了向剪切腹板本体的平滑过度。突出部的侧部也可以限定为内侧部分（面向剪切腹板本体的侧部）和外侧部分（背向剪切腹板本体的侧部）。
在一个实施方式中，所形成的凹部具有带第一半径或曲率的局部圆形横截面。在第二实施方式中，剪切腹板本体的第一端被倒圆为具有第二曲率半径。第二半径可以基本上等于或略小于第一半径。因此，这两个部分可以用球接头状连接来连接，并且剪切腹板本体的第一端可以被任意地倾斜但仍与凹部配合。因此，剪切腹板本体与腹板脚凸缘之间的角度可以更容易地变化以配合风力涡轮机叶片的空气动力学壳体部分。
在一个实施方式中，凹部具有90至180度或120至160度（例如大约140度）的弧度测量。如果仅仅需要腹板脚凸缘与剪切腹板本体之间的小的可变角，则弧度测量可以相对较高。
第一半径可以有利地为10mm至100mm或者10mm至50mm，例如大约20mm。剪切腹板本体可以有利地具有大约20mm至200mm或者20mm至100mm例如大约30mm或40mm的厚度。第一半径和剪切腹板本体厚度也可以在纵向方向上变化。剪切腹板本体可以例如在叶片根部附近比在尖端附近厚，并且第一半径可以相应地变化。
第一纤维层和第二纤维层可以有利地包括多轴纤维层，例如双轴、三轴或四轴纤维层。因此，纤维层可以包括多轴向布置的纤维，由此负载能够在若干方向上传递并且因而吸收纵向力和横向力两者。还可以使用具有任意定向的加强纤维的纤维层。
树脂可以有利地是聚酯、乙烯酯或环氧树脂。聚酯可以有利地与预制剪切腹板本体的树脂基质化学地相容。
第一纤维层和第二纤维层有利地由玻璃纤维制成。然而，加强纤维也可以是碳纤维、植物纤维、尼龙、酰胺或其它合适的加强纤维。
第一纤维层和第二纤维层也可以是预浸渍材料，例如UV固化预浸渍材料。
一旦预成形腹板脚凸缘已经附接至剪切腹板本体，预成形腹板脚凸缘便可以有利地与剪切腹板本体形成I形脚。腹板脚凸缘可以有利地具有大致平的基部。
第一纤维层和第二纤维层可以有利地分别沿着剪切腹板本体的第一侧和第二侧的5cm至20cm延伸。
在一个特别有利的实施方式中，第一预成形腹板脚凸缘是预固化复合本体。因此，预固化复合本体可以是预制本体，例如在附接至剪切腹板本体的第一端之前在单独的模具中形成。预固化本体仍可以具有一定程度的柔性，使得腹板脚凸缘与剪切腹板之间的角度可以在纵向方向上变化或扭转以适应空气动力学壳体的形状。
通过施用包覆预固化复合本体和剪切腹板本体的第一纤维层和第二纤维层、供给树脂以及最后使树脂固化或硬化而将预固化复合本体附接至剪切腹板本体。因此，能够看到，与结构粘结剂或胶结接头不同，这两个部分通过包覆层压而彼此附接。
另外，预固化本体可以用作使模具腔成形的成形工具的一部分。
在一个实施方式中，预固化复合结构是拉挤成型体或挤压成型体。因此，腹板脚凸缘可以根据已知的拉挤或挤压工艺被预制为具有统一的横截面形状，并且被切割至期望的长度。预制的腹板脚凸缘然后可以相对于剪切腹板本体被弯曲至期望的角度以适应空气动力学壳体的形状。
通过在突出部的内侧部分之间使用纤维层并且使用布置成覆盖基部的一部分、突出部的外侧部分以及剪切腹板本体的侧部的纤维层，可以将预固化腹板脚凸缘附接至剪切腹板本体。
在第二个特别有利的实施方式中，第一预成形腹板脚凸缘是缝合或编织的纤维本体。因此，缝合或编织的纤维本体可以被预成形为近似期望的形状。第一纤维层和第二纤维层可以与腹板脚凸缘一体地形成。纤维本体可以制造成连续的本体，然后被切割至期望的长度。因此，该实施方式还提供了一种制造风力涡轮机叶片剪切腹板的灵活的方法。
如果预成形腹板脚凸缘通过使用缝合的纤维本体而形成，则可能必须提供具有主基板构件的成形工具，其中该主基板构件限定完成的腹板脚凸缘的主表面或基部，并且因此限定了将在后来附接至空气动力学叶片壳体的内侧的侧部。基板构件可能需要根据腹板脚凸缘与剪切腹板本体之间的期望角度被倾斜。然而，成形工具仍然比制造一体成形的剪切腹板所需的模具小得多，因而与制造剪切腹板的已有方法相比，该制造灵活得多。
缝合的纤维本体可以有利地包括干加强纤维，即，还没有被树脂灌注的加强纤维。因此，模具腔可以通过围绕预成形本体的成形工具形成，并且对剪切腹板本体的侧部密封，在这之后树脂被注射到腔中并且最终固化以形成剪切腹板。缝合的纤维本体可以替代性地包括预浸渍材料；可选地，该材料是UV固化预浸渍材料。在该实施方式中，形成的模具腔为大致凸缘形。
在一个实施方式中，剪切腹板本体具有至少30m的长度。因此，能够看到，本发明针对的是例如用于具有至少40m的叶片长度的风力涡轮机叶片的非常大的剪切腹板的制造。剪切腹板本体也可以分段，例如通过连接具有8m至12m的长度的预制面板来分段。腹板本体可以通过接缝处的包覆层压而彼此连接。这可以与腹板脚凸缘附接至面板同时地进行。
腹板脚凸缘有利地具有与剪切腹板本体基本相同的长度。然而，腹板脚凸缘也可以分段或模块化。各个腹板脚凸缘可以例如具有1m至10m的长度。
由于风力涡轮机叶片的轮廓具有特定的曲率，所以剪切腹板的凸缘的基部或主表面可能需要相对于腹板本体以特定的角度布置。该角度可以根据叶片的纵向轮廓而沿着部件的长度变化。因此，成形工具可以由相对柔性的材料制成，以允许沿着腹板构件的长度的工具倾角变化，和/或可以使用沿着腹板构件的长度相对于腹板构件以不同角度布置的多个成形工具。
优选地，所述倾斜步骤包括以相对于所述腹板构件的第一端在-20°至+20°之间的角度布置腹板脚凸缘。因此，用于形成模具腔的主板构件可以类似地以相对于所述腹板构件的第一端在-20°至+20°之间的角度倾斜。还可以在-30°至+30°之间改变所述角度。
腹板脚凸缘可以有利地形成有用于附接至叶片壳体部分的成形表面，例如波纹状的表面轮廓、阴影状的表面轮廓或有刻纹的表面轮廓。该成形表面可以是预固化的腹板脚凸缘的一部分，或者成形工具的主板构件可以构造成提供成形表面。部件的端部处的成形表面或经过处理的表面的设置可以提供如下表面：该表面提供了部件之间的改善的粘结结合。
本发明还提供了一种根据上述方法制造的剪切腹板。因此，本发明提供了剪切腹板形式的风力涡轮机部件，其包括：
- 具有第一端和第二端以及第一侧和第二侧的预制剪切腹板本体；以及至少
- 第一预成形腹板脚凸缘，其中
- 第一预成形腹板脚凸缘通过下述方式附接至剪切腹板本体：
- 从第一预成形腹板脚凸缘延伸到剪切腹板本体的第一侧的一部分的第一纤维层，以及
- 从第一预成形腹板脚凸缘延伸到剪切腹板本体的第二侧的一部分的第二纤维层，其中
- 第一纤维层和第二纤维层嵌入在固化的树脂基质中。
总的来说，能够看到，一个或多个腹板脚凸缘可以通过将其层压在剪切腹板本体上（例如通过包覆层压）而结合至预制剪切腹板本体。这种层压取代了结构粘结剂——其可以用于提供腹板脚凸缘与剪切腹板本体之间的承载接头——的使用。
优选地，第一预成形腹板脚凸缘通过包括第一纤维层和第二纤维层的一个或多个包覆层压而附接至预制剪切腹板，由此可以避免结构粘结剂的使用。
本发明还提供了包括上述实施方式中的任一个的剪切腹板的风力涡轮机叶片，其中该剪切腹板连接在风力涡轮机叶片的压力侧与吸入侧之间。
风力涡轮机叶片可以包括第一翼梁盖和第二翼梁盖，第一翼梁盖附接至压力侧壳体部分或者与压力侧壳体部分一体地形成，第二翼梁盖附接至吸入侧壳体部分或者与吸入侧壳体部分一体地形成。剪切腹板可以例如通过附接至第一翼梁盖的第一腹板脚凸缘和附接至第二翼梁盖的第二腹板脚凸缘连接在两个翼梁盖之间。
本发明还提供了包括至少一个、有利地为两个或三个这种风力涡轮机叶片的风力涡轮机。
附图说明
下面将参照附图所示的实施方式来详细地论述本发明，在附图中：
图1示出了风力涡轮机；
图2示出了风力涡轮机叶片的示意图；
图3示出了风力涡轮机叶片的横截面的示意图；
图4示出了根据本发明的预固化腹板脚凸缘的第一实施方式；
图5示出了根据本发明的预固化腹板脚凸缘的第二实施方式；
图6示出了根据本发明的用于制造剪切腹板的制造方法的第一实施方式；以及
图7示出了根据本发明的用于制造剪切腹板的制造方法的第二实施方式。
具体实施方式
图1示出了根据所谓的“丹麦概念”的常规的现代迎风式风力涡轮机，其具有塔部4、机身6和具有大致水平的转子轴的转子。转子包括毂部8和从毂部8径向延伸的三个叶片10，每个叶片10具有最靠近毂部的叶片根部16和最远离毂部8的叶片尖端14。转子具有用R表示的半径。
图2示出了风力涡轮机叶片10的示意图。风力涡轮机叶片10具有传统的风力涡轮机叶片的形状，并且包括：最靠近毂部的根部区域30；最远离毂部的型面或翼面区域34；以及位于根部区域30与翼面区域34之间的过渡区域32。叶片10包括前缘18和后缘20，当叶片安装在毂部上时，前缘18面向叶片10的旋转方向，并且后缘20面向前缘18的相反方向。
翼面区域34（也称为型面区域）具有关于升力的产生方面的理想或近乎理想的叶片形状，而根部区域30由于结构方面的考虑则具有大致圆形或椭圆形横截面，例如使得能够将叶片10更容易且安全地安装至毂部。根部区域30的直径（或弦）可以是沿着整个根部区域30恒定的。过渡区域32具有从根部区域30的圆形或椭圆形形状向翼面区域34的翼面轮廓逐渐变化的过渡轮廓。过渡区域32的弦长一般随着距毂部的距离r增加而大致线性地增加。翼面区域34具有翼面轮廓，该翼面轮廓具有在叶片10的前缘18与后缘20之间延伸的弦。弦的宽度随着距毂部的距离r增加而减小。
叶片10的肩部40限定为如下位置：叶片10在该位置处具有其最大弦长。肩部40一般设置在过渡区域32与翼面区域34之间的边界处。
应当注意，叶片的不同区段的弦通常不位于共同的平面内，因为叶片可能扭转和/或弯曲（即，预弯），从而提供具有相应地扭转和/或弯曲的线路的弦平面，这最常见的是为了补偿叶片的局部速度取决于距毂部的半径的情况。
叶片一般由压力侧壳体部分36和吸入侧壳体部分38构成，压力侧壳体部分36和吸入侧壳体部分38沿着叶片20的前缘18和后缘20处的结合线彼此胶结。
图3示出了沿着图2所示的I-I线的叶片的截面的示意图。如前面提到的，叶片10包括压力侧壳体部分36和吸入侧壳体部分38。压力侧壳体部分36包括翼梁盖41，也称为主层压体，翼梁盖41或主层压体构成压力侧壳体部分36的承载部分。翼梁盖41包括多个纤维层42，所述多个纤维层42主要包括沿着叶片的纵向方向排列的单向纤维以向叶片提供刚度。吸入侧壳体部分38也包括翼梁盖45，翼梁盖45包括多个纤维层46。压力侧壳体部分38还可以包括夹心芯材料43，夹心芯材料43一般由轻木或发泡聚合物制成并且夹在多个纤维加强表皮层之间。夹心芯材料43用来向壳体提供刚度，以确保在叶片旋转期间壳体基本上维持其空气动力学特性。类似地，吸入侧壳体部分38也可以包括夹心芯材料47。
压力侧壳体部分36的翼梁盖41和吸入侧壳体部分38的翼梁盖45通过第一剪切腹板50和第二剪切腹板55连接。剪切腹板50、55在所示的实施方式中成形为I形腹板。然而，其他的构型例如C形腹板也可以使用。第一剪切腹板50包括剪切腹板本体和两个腹板脚凸缘。剪切腹板本体包括被多个表皮层52覆盖的夹心芯材料51，例如轻木或发泡聚合物。第二剪切腹板55具有类似的设计，即具有剪切腹板本体和两个腹板脚凸缘，剪切腹板本体包括被多个表皮层57覆盖的夹心芯材料56。两个剪切腹板50、55的夹心芯材料51、56在凸缘附近被倒角，以将载荷从腹板50、55传递至主层压体41、45而不存在发生故障以及剪切腹板本体与腹板脚凸缘之间的接头发生破裂的风险。然而，这种设计通常将导致腿部与凸缘之间的接头区域中富含树脂的区域。另外，这种富含树脂的区域可能包含由于树脂的固化过程中放热高峰而灼烧的树脂，这继而可能导致机械脆弱点。
为了对此进行补偿，通常在这些接头区域布置包括玻璃纤维的多个填充线绳60。另外，这种线绳60也将有助于从腿部的表皮层到凸缘的载荷传递。然而，根据本发明，腹板脚凸缘和剪切腹板本体是单独地制造的，并且腹板脚凸缘然后被层压到剪切腹板本体的端部上。
叶片壳体36、38可以包括位于前缘和后缘的另外的纤维加强物。一般地，壳体部分36、38通过胶结凸缘彼此结合，其中在胶结凸缘中可以使用另外的填充线绳（未示出）。另外，非常长的叶片可以包括具有另外的翼梁盖的部段，这些部段通过一个或多个另外的剪切腹板连接。
图4示出了根据本发明的预固化腹板脚凸缘70的第一实施方式。腹板脚凸缘70包括具有第一侧和相反的第二侧的基部，第一侧用于安装至风力涡轮机叶片壳体的内侧，第一突出部73和第二突出部76延伸至第二侧。两个突出部73、76形成能够接收剪切腹板本体的端部的凹部。
预固化腹板脚凸缘可以通过多个外部纤维层71和多个内部纤维层72形成。由纤维加强材料制成的填充材料60’布置成提供突出部73、76。填充材料60’可以例如是包括加强纤维如玻璃纤维的线绳。在所示的实施方式中，填充材料60’示出为如看到的那样。然而，填充材料60’也可以根据期望的腹板脚凸缘形状来成形，从而特别使两个突出部73、76成形。第一突出部包括面向凹部的内侧74和背向凹部的外侧75。类似地，第二突出部76也包括面向凹部的内侧77和背向凹部的外侧78。突出部的内侧74、77可以被倒圆并且具有第一曲率半径R 1 。整个凹部可以有利地例如沿着大约140度的弧度测量遵循圆形。外侧75、78也可以倒圆为具有外部曲率半径R O ，这将提供平滑的过渡并且因而还提供凸缘与剪切腹板本体之间的逐渐载荷转变。
预固化腹板脚凸缘70可以在单独的模具中模制。可替代地，预固化腹板脚凸缘可以通过已知的拉挤或挤压技术来形成。
图5示出了根据本发明的预固化腹板脚凸缘170的第二实施方式。在该实施方式中，突出部由预成形的填充材料160形成。预成形的填充材料160可以例如是拉挤或挤压成型体。在该实施方式中，填充材料160成形为三角形。然而，预成形的填充材料160的侧部也可以微微地倒圆以向腹板脚凸缘的凹部提供圆化的形状。类似于第一实施方式，填充材料170被多个外部纤维层171和多个内部纤维层172覆盖。与第一实施方式相同，预固化腹板脚凸缘170可以用拉挤或挤压成型的填充材料170在单独的模具中模制。可替代地，整个本体可以通过拉挤或挤压成型来形成。
图6示出了根据本发明的用于制造剪切腹板的制造方法的第一实施方式。在所示的实施方式中，第一预固化腹板脚凸缘270被层压到剪切腹板本体250的第一端253上。预固化腹板脚凸缘270可以例如像图4和图5所示的两个实施方式那样地形成。
剪切腹板本体250被预制并且包括被多个纤维表皮层252覆盖的夹心芯材料251如轻木或发泡聚合物。剪切腹板本体250是细长体，其在安装于风力涡轮机叶片壳体中时沿风力涡轮机叶片的纵向方向延伸，并且可以具有30m或更长的长度。剪切腹板本体包括第一侧254和第二侧258以及第一端253和（未示出的）第二端。
剪切腹板本体的第一端253可以被倒圆或倒角，例如具有第二半径R 2 。第二半径R 2 可以基本上匹配凹部的第一曲率半径R 1 或者小于第一曲率半径R 1 ，使得腹板脚凸缘270的凹部可以接收剪切腹板本体250的第一端253并且使得腹板脚凸缘270可以相对于剪切腹板本体倾斜。还可以使用例如具有半圆形轮廓的附加件，以形成倒圆部或倒角部。该附加件可以例如由发泡聚合物或轻木制成。
在一个示例中，剪切腹板本体具有32mm的厚度，由此第二半径R 2 可以为16mm。另外，第一曲率半径是17mm。
在腹板脚凸缘270的凹部与剪切腹板本体250的第一端253之间布置有纤维层280。纤维层280绕剪切腹板本体250的第一端253缠绕并且沿着剪切腹板本体的第一侧254的一部分且沿着剪切腹板本体的第二侧258的一部分延伸。另外，多个第一纤维层281沿着腹板脚凸缘270的表面、沿着第一突出部273的外侧、并且进一步沿着剪切腹板本体250的第一侧254布置。类似地，多个第二纤维层282沿着腹板脚凸缘270的表面、沿着第二突出部276的外侧、并且进一步沿着剪切腹板本体250的第二侧258布置。
第一纤维层281被第一真空袋290覆盖，并且通过第一密封剂291密封至腹板脚凸缘270且通过第二密封剂292密封至剪切腹板本体250的第一侧254。类似地，第二纤维层280被第二真空袋295覆盖，并且通过第一密封剂296密封至腹板脚凸缘270且通过第二密封剂297密封至剪切腹板本体250的第二侧258。密封剂291、292、296、297可以例如是粘胶带或硅酮。因此，在第一真空袋290、第二真空袋295、腹板脚凸缘270以及剪切腹板本体250之间形成了纵向延伸的模具腔。该模具腔的一端连接至真空泵，而另一端连接至树脂源。一旦真空泵已经排空了模具腔，则打开通向树脂源的阀，并且将树脂注射到模具腔中。最后，树脂固化，从而在腹板脚凸缘270与剪切腹板本体250的第一端253之间形成层压结合。
在一个替代实施方式中，仅仅使用绕腹板脚凸缘270的底部缠绕的单个真空袋，因此可以省略第一密封剂291和296。
纤维层280、281、282也可以包括预浸渍材料。然而，有利地，附加的树脂可以如前所述地灌注到模具腔中。
预固化腹板脚凸缘270是相对柔性的。因此，其能够在纵向方向上变化或扭转，使得相对于剪切腹板本体的角度可以变化，以补偿风力涡轮机叶片壳体的形状。可替代地，腹板脚凸缘可以分段并且设置为沿着剪切腹板本体250的单独的部分延伸的各个部分。附接方法可以通过相对简单的夹具装置来执行，该夹具装置保持住预制剪切腹板本体250和第一腹板脚凸缘270。在所示的实施方式中，剪切腹板本体250和腹板脚凸缘在剪切腹板本体布置在大致竖直的方位的布置状态下彼此附接。因此，树脂可以从下部注入并且向上流动，这可以补偿气穴的形成和由于重力而导致的纤维层的蠕变。纤维层280、281、282可以有利地设置有增粘剂或SAERfix®织物以使纤维层在层积过程中保持其形状。还能够想到的是，预固化腹板脚凸缘可以首先层压到叶片壳体上，然后层压到剪切腹板本体上。
纤维层280、281、282沿着剪切腹板本体的第一侧254和第二侧258沿着长度d延伸。该长度可以例如是10cm-15cm。
第二腹板脚凸缘可以通过类似的附接方法附接至剪切腹板本体的第二端。剪切腹板本体可以有利地转过180度，并且第二腹板脚凸缘可以在第二腹板脚凸缘布置在剪切腹板本体250的下方的布置状态下附接至剪切腹板本体的第二端。可替代地，第二腹板脚凸缘可以布置在剪切腹板本体的上方而不需要转动剪切腹板本体250。
尽管已经在剪切腹板本体布置在竖直方位的布置状态下描述了附接方法，但将认识到的是，腹板脚凸缘也可以在剪切腹板本体布置在水平方位的布置状态下例如通过将剪切腹板本体布置在简易的工作台上而附接至剪切腹板本体。
图7示出了根据本发明的用于制造剪切腹板的制造方法的第二实施方式，其中相似的附图标记指代与图6所示的第一实施方式相似的部分。因此，仅仅描述这两个实施方式之间的不同之处。
第二实施方式不同于第一实施方式之处在于，腹板脚凸缘370不是预固化的。相反，腹板脚凸缘被预成形为缝合或编织的纤维体，有利地包括干加强纤维。在该实施方式中，层压在剪切腹板本体350的第一侧354和第二侧358上的纤维层被一体地形成为腹板脚凸缘370的两个突出部373、376的一部分。
由于预成形的腹板脚凸缘370仅仅维持用于最终的凸缘的大致形状，所以必须使用成形工具以限定腹板脚凸缘370的基部相对于剪切腹板本体350的角度。因此，使用主基板398来限定腹板脚凸缘370的基部相对于剪切腹板本体398的角度。第一真空袋390通过第一密封剂密封于基板398，并且通过第二密封剂392密封于剪切腹板本体350的第一侧354。类似地，第二真空袋395通过第一密封剂396密封于基板398，并且密封于剪切腹板本体350的第二侧358。预成形的腹板脚凸缘370的纤维材料可以设置有增粘剂或SAERfix®织物以使纤维层在层积过程中保持其形状。可替代地，包括例如有增粘剂或SAERfix®织物的附加的纤维层可以布置成覆盖突出部373、376以保持其形状。
形成在真空袋390和395、剪切腹板本体350以及基板398之间的模具腔可以类似于第一实施方式那样连接至真空泵和树脂源，以将树脂注射到模具腔中并且灌注预成形的腹板脚凸缘370的纤维材料。最后，树脂固化，从而在腹板脚凸缘370与剪切腹板本体350的第一端353之间形成层压结合。
在根据第一实施方式和第二实施方式的腹板脚凸缘中使用的加强纤维有利地是玻璃纤维。这适用于用来将腹板脚凸缘层压到剪切腹板本体上所用的附加的纤维层。然而，也可以使用其他适用的加强纤维类型。
在所示的实施方式中，剪切腹板本体的端部描述为被倒圆。然而，也可以使用其他形状如倒角或斜切的端部。然而，有利的是在剪切腹板本体的端部与腹板脚凸缘的凹部之间形成较大的层压结合表面以提供更强的机械附接。
附图标记列表
2 风力涡轮机
4 塔部
6 机身
8 毂部
10 叶片
14 叶片尖端
16 叶片根部
18 前缘
20 后缘
22 俯仰轴线
30 根部区域
32 过渡区域
34 翼面区域
36 压力侧壳体
38 吸入侧壳体
40 肩部
41 压力侧的主层压体/翼梁盖
42 纤维层
43 夹心芯材料
45 吸入侧的主层压体/翼梁盖
46 纤维层
47 夹心芯材料
50 第一剪切腹板
51 第一剪切腹板的夹心芯材料
52 一个或多个表皮层
253、353 剪切腹板本体的第一端
254、354 剪切腹板本体的第一侧
55 第二剪切腹板
56 第二剪切腹板的夹心芯材料
57 一个或多个表皮层
258、358 剪切腹板本体的第二侧
60、60’、160 填充材料
70、170、270、370 第一腹板脚凸缘
71、171 一个或多个纤维层
72、172 一个或多个纤维层
73、173 第一突出部
74 第一突出部的内侧
75 第一突出部的外侧
76、376 第一突出部
77 第一突出部的内侧
78 第一突出部的外侧
280 一个或多个纤维层
281 一个或多个纤维层
282 一个或多个纤维层
290、390 成形工具/真空袋
291、391 密封剂
292、392 密封剂
295、395 成形工具/真空袋
296、396 密封剂
297、397 密封剂
398 成形工具的基板
D 纤维层连接的长度
R o 突出部的外侧的曲率半径
R 1 突出部的内侧的曲率半径
R 2 剪切腹板本体的端部的曲率半径
Θ 弧度测量

Claims (20)

1.一种制造剪切腹板(50, 55)的形式的风力涡轮机叶片部件的方法，所述方法包括下述步骤：
a）提供具有第一侧(254, 354)和第二侧(258, 358)以及第一端(253, 353)和第二端的预制剪切腹板本体(250, 350)；
b）提供包括纤维加强材料的第一预成形腹板脚凸缘(70, 170, 270, 370)；
c）将第一纤维层(281)从所述第一预成形腹板脚凸缘布置到所述剪切腹板本体的第一侧的一部分；
d）将第二纤维层(282)从所述第一预成形腹板脚凸缘布置到所述剪切腹板本体的第二侧的一部分；
e）与步骤c）和步骤d）同时地，或者在步骤c）和步骤d）之后，向所述第一纤维层和所述第二纤维层供给树脂；以及
f）使树脂固化以形成所述剪切腹板(50, 55)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，增粘剂被供给至所述第一纤维层(281)和所述第二纤维层(282)以维持步骤e）中向所述第一纤维层和所述第二纤维层供给树脂之前的形状。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述预制剪切腹板本体(250, 350)是夹心面板或夹心结构复合构件。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述预制剪切腹板本体(250, 350)是夹心面板或夹心结构复合构件。
5.根据前述权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，所述方法包括下述步骤：提供与所述剪切腹板本体(250)的至少第一端(253)相邻的成形工具(290, 295)以形成模具腔，所述模具腔覆盖所述第一预成形腹板脚凸缘(270)、所述第一纤维层(281)、所述第二纤维层(282)以及所述剪切腹板本体的位于所述剪切腹板本体的第一端附近的部分，所述成形工具可选地包括第一真空袋(290)并且可能还包括第二真空袋(295)。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，步骤e）中的树脂被注射到所述模具腔中。
7.根据前述权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，步骤a）中的所述预制剪切腹板本体(250, 350)布置在大致竖直的位置，并且其中所述第一预成形腹板脚凸缘(270, 370)布置在第一端(253, 353)且位于所述剪切腹板本体的下方。
8.根据前述权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，所述第一预成形腹板脚凸缘(70,170)包括具有第一侧和第二侧的基部、从所述基部的第二侧突出的第一突出部(73)以及从所述基部的第二侧突出的第二突出部(76)，使得在所述第一突出部与所述第二突出部之间形成凹部。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所形成的所述凹部具有带第一半径(R1)的圆形横截面，并且其中所述剪切腹板本体的第一端被倒圆为具有第二半径(R2)，所述第二半径基本上等于或略小于第一半径。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述凹部具有90至180度的弧度测量。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述凹部具有120至160度的弧度测量。
12.根据权利要求9所述的方法，其中，所述凹部具有大约140度的弧度测量。
13.根据前述权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，所述第一纤维层和所述第二纤维层包括多轴纤维层。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述多轴纤维层是双轴、三轴或四轴纤维层。
15.根据前述权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，所述第一预成形腹板脚凸缘是预固化复合本体。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述预固化复合本体是拉挤成型体或挤压成型体。
17.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述第一预成形腹板脚凸缘是缝合或编织的纤维本体(370)。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述缝合的纤维本体包括干加强纤维。
19.一种剪切腹板(50, 55)形式的风力涡轮机部件，包括：
- 具有第一端(253, 353)和第二端以及第一侧(254, 354)和第二侧(258, 358)的预制剪切腹板本体(250, 350)；以及至少
- 第一预成形腹板脚凸缘(70, 170, 270, 370)，其中
- 所述第一预成形腹板脚凸缘通过下述方式附接至所述剪切腹板本体：
- 从所述第一预成形腹板脚凸缘延伸到所述剪切腹板本体的第一侧(254, 354)的一部分的第一纤维层(281)，以及
- 从所述第一预成形腹板脚凸缘延伸到所述剪切腹板本体(258, 358)的第二侧的一部分的第二纤维层(282)，其中
- 所述第一纤维层和所述第二纤维层嵌入在固化的树脂基质中，
其中，所述第一预成形腹板脚凸缘通过包括所述第一纤维层和所述第二纤维层的一个或多个包覆层压而附接至所述预制剪切腹板而基本上无需使用结构粘结剂。
20.一种风力涡轮机叶片，包括根据权利要求19所述的剪切腹板，其中所述剪切腹板连接在所述风力涡轮机叶片(10)的压力侧(36)与吸入侧(38)之间。
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